硅灰對混凝土性能影響的研究進展

摘要:混凝土的性能受各種因素的影響，尤其是具有活性的硅灰的加入，能很好的改進其性能并延長了其使用壽命，提高了工程質量。本文綜述了硅灰及含有硅灰的混合摻料對混凝土耐久性與力學性能的影響，并展望了硅灰對改進混凝土性能的研究前景。

關鍵詞:硅灰;混凝土;耐久性;力學性能

1引言

硅灰是硅鐵合金廠和金屬廠冶煉硅鐵合金或金屬硅時從煙塵中收集的一種飛灰。硅灰的年產量較大，若不能合理利用，直接排放到環境中，將對環境造成重大污染。因此近幾年，硅灰的回收與利用，將硅灰變廢為寶受到材料研究者的廣泛關注。

混凝土是由膠凝材料，水和粗、細骨料按適當比例配合、拌制成拌合物，經一定時間硬化而成的人造石材。由于其具有良好的性能，且原料豐富，價格低廉已成為用途廣并且主要的土木工程材料之一。在我國，通常將硅灰作為摻合料用于混凝土工業中，一方面可節約水泥熟料，降低混凝土的生產成本，有效減少環境污染，保護環境，另一方面硅灰具有很好的活性，能夠很好的改善混凝土的性能，延長混凝土的使用壽命，提高工程質量。用硅粉配制高強混凝土的技術已相當成熟，并在挪威、日本、美國、澳大利亞等許多地方得到普遍應用。我國在上海等地區的越江隧道和房屋建筑中也已成功的應用了硅粉配制高強度混凝土，有的預制構件廠已用這種混凝土生產高強混凝土制品。付亞偉等研究認為，在混凝土中加入硅灰(5%～10%)能提高混凝土的流動性、填充性、穩定性、力學性能與耐久性，從而廣泛應用于澆筑量大、澆筑深度深或澆筑高度大、鋼筋密集、有特殊形狀等振搗困難的混凝土結構工程中，給工程設計與施工帶來極大的方便。因此，開發硅灰在混凝土中的應用，對促進節能減排、廢棄物的資源化利用和保護環境、發展循環經濟，以及建設資源節約型、環境友好型社會具有重要的現實意義，其技術、經濟、效益顯著，應用前景廣闊。本文綜述了近幾年硅灰對混凝土性能影響的研究。

2硅灰改進混凝土性能的微觀機理

與普通混凝土相比，含有硅灰的混凝土的主要特點之一是更均勻的微觀結構。在低水膠比時，摻入硅灰，則水泥石中的微結構主要由結晶不良的水化物，形成低孔隙率的更加致密的基質構成。隨硅灰含量增加，Ca(OH)2轉變為硅酸鈣水化物的量增加，也就是說，水泥石中的CH含量隨硅灰摻量的增大而降低。剩余的CH與不含硅灰的硅酸鹽水泥相比，易于形成更細小的晶粒。在普通硅酸鹽水泥中摻入硅灰，水化物中Ca/Si減小，水化物能與其他離子結合，結果使水泥石抗離子侵入和抑制堿-骨料反應的能力提高。同時摻有硅灰的混凝土能使骨料周圍充滿致密的無定形的C-S-H相，從而使粗料與水泥石之間的界面過渡區得到明顯改善。李建權等研究了含有10%的硅灰對水泥砂漿微觀結構的影響，研究發現，水化28d后的試樣總孔隙率較不加硅灰的提高了8%。同時硅灰與Ca(OH)2的火山灰反應分布也很均勻，沒有集中在界面區域，而主要發生在漿體的毛細結構中，這在很大程度上堵塞了漿體內部的毛細結構，降低了孔隙率，提高了試樣硬化后期的強度。

3硅灰對混凝土材料性能的影響

混凝土的性能主要包括物理力學性能和耐久性。物理性能主要包括混凝土的密實度、混凝土的滲透性、混凝土的干縮與濕漲，混凝土的熱性能;混凝土的力學性能主要指混凝土的強度和變形性能，其中混凝土強度分為抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度及抗剪強度等?；炷恋哪途眯灾富炷恋挚刮锢砗突瘜W侵蝕(如氯離子滲透、硫酸鹽侵蝕、凍融等)的作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結構的安全、正常使用的能力。本文主要從混凝土的耐久性及其力學性能兩方面研究分析混凝土的性能。

3．1硅灰對混凝土耐久性的影響

3．1．1硅灰對新拌混凝土性能的影響

新拌混凝土為水泥、水、集料及外加劑的混合物。新拌混凝土的性能既影響澆筑工程的質量又影響混凝土的耐久性。新拌混凝土的性能主要包括和易性和流變性。王振軍研究發現硅灰能使混凝土拌合物的密實性增強，但是當硅灰的摻量達到4%以上時混凝土拌和物的黏聚性明顯增加，流動性開始變差，研究表明較為合理的硅灰摻量為水泥總用量的2%。Duval等研究發現，在水灰比為0．35時，在停止攪拌后的0～50min內任何一個時間測得的坍落度都隨著硅灰增加而增加。宋中南等研究發現，硅灰的摻量為6%時，混凝土的坍落度，擴展度都達到大值，即6%的硅灰能很好改進混凝土的流變性能。

3．1．2硅灰對混凝土抗滲透性的影響

混凝土材料的滲透性主要指液體和氣體對其滲透的性質?？節B性能高的混凝土，其耐久性就高，混凝土的抗滲性是表征其耐久性的一個重要指標。Song等通過硅灰對混凝土微觀結構的影響理論分析與計算，提出了一種新的程序方法，很好的預測出硅灰對混凝土滲透性的影響，并通過實驗驗證了這一理論方法。他們計算出，在水膠比為0．4的條件下，硅灰替代比為8%到15%范圍內，混凝土的滲透率幾乎為零，但超過15%時，混凝土的滲透率又開始增加。通過對比不同水膠比下，硅灰對混凝土滲透性的影響，發現12%的硅灰替代比為佳硅灰替代比。與此同時硅灰的細度也會對混凝土的滲透性產生影響，如果細度增加，滲透性也會降低。另外滲透性的典型代表為氯離子的滲透性。Mohammad等研究了波斯灣的混凝土的抗滲透性發現無論水灰比為何值時，3、6、9個月的氯離子擴散率在硅灰替代比由0增加到7．5%時都顯著降低，在7．5%時基本上達到小值。李凱等利用RCM法測定高性能混凝土氯離子擴散系數，對單摻硅灰和復摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗氯離子滲透性能進行了研究。研究發現單摻硅灰的混凝土氯離子擴散系數較復摻粉煤灰和硅灰的混凝土氯離子擴散系數要小0．27×10－12m2/s，降低了25%，比不加任何摻料的混凝土降低了84%。這是因為硅灰的顆粒細度較小，比表面積大，能很好地填充到水泥漿體的空隙中，從而提高了混凝土的密實性，使得混凝土氯離子擴散系數較小，即硅灰能很好的提高混凝土的抗氯離子滲透性，增強混凝土的耐久性。

3．1．3硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的影響

硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的又一重要內容，同時也是影響因素復雜、危害性大的一種環境水侵蝕。一般情況下，水灰比越小，密實度越大，硫酸鹽溶液就越難侵蝕到混凝土內部，抗侵蝕能力就越強。硅灰的加入提高了混凝土的密實性，從而加強了混凝土的抗侵蝕性能。但是，不同的摻量會對混凝土抗侵蝕性產生不同的影響。Sokkary等研究了摻有硅灰的高鋁水泥和普通波特蘭水泥混合物的抗硫酸鹽侵蝕性，研究發現當含有硅灰的高鋁水泥量為15%，而普通波特蘭水泥含量為85%時，其抗硫酸鹽侵蝕性增強。Gzde通過測試混凝土硫酸鹽擴散物的含量，研究了混凝土中添加硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響。以齡期為14周的測試結果為例，在Na2SO4溶液中，硅灰含量分別為0、5%、10%、15%時，混凝土硫酸鹽的含量分別為0．09%、0．072%、0．06%、0．05%。即添加硅灰能顯著提高混凝土抗硫酸鈉溶液的侵蝕。然而在硫酸鎂溶液中，硅灰含量分別為0、5%、10%、15%時，硫酸鹽擴散物的含量分別為0．11%、0．083%、0．06%、0．06%，即在硅灰增加到15%時，硫酸鹽擴散物的含量并沒有減少。Lee等在水泥砂漿中摻入硅灰的量分別為0、5%、10%、15%，然后浸泡在5%的硫酸鎂溶液中，用抗壓強度損失率來評定水泥砂漿破壞程度。研究發現，隨著硅灰的摻量由5%增加到15%，抗壓強度的損失率不斷增大，且抗壓強度損失率都在40%以上，抗硫酸鎂侵蝕性能逐步降低。因為硅灰代替了一部分水泥，發生了火山灰效應，減少了氫氧化鈣的含量，使得鎂離子更容易侵蝕混凝土內部，造成C-S-H的破壞。即硅灰并不能很好的提高抗硫酸鎂侵蝕的能力。

3．1．4硅灰對混凝土抗凍融性的影響

許多水工混凝土建筑物所處環境都是正負溫交替的，在使用過程中混凝土就會受到凍融循環的破壞作用而導致受凍破壞。特別是寒冷地區的水工建筑物，其混凝土抗凍性不足是造成結構破壞的主要原因，因此，解決混凝土材料的抗凍性是提高混凝土耐久性的一個重要途徑。Cwirzen等測出水膠比為0．3時，56次凍融循環后，加入硅灰的混凝土表面縮放都在500g/m2以下，動態彈性模量都在90%以上，且相差不大。陳德玉等研究了硅灰和引氣劑等改善再生混凝土抗凍性。實驗采用5%、10%的硅灰等量替代水泥，探究硅灰對改善再生骨料混凝土抗凍性能方面的情況。研究發現，摻入硅灰的試件其相對動彈性模量下降值及下降趨勢均小于對照試件(不摻硅灰)。到達300次凍融循環時，對照試件和摻入硅灰量分別為5%、10%的試件的相對動彈性模量分別為81．3%、92．1%、93．3%，同時在前100次凍融循環中，摻入硅灰的試件幾乎無質量損失，在150～200次凍融循環內，質量損失才略有增加，凍融破壞比較輕微，而對照試件在100次凍融循環時質量損失已達到0．2%以上。吳澤媚等研究了硅灰對混凝土在不同濃度氯鹽中抗凍性的影響，研究發現，不摻硅灰的混凝土在5%的氯鹽中經過200次凍融循環后的質量損失為8．45%，相對彈性模量約為40%，而摻有硅灰的混凝土在相同條件下的質量損失不到2%，并且相對彈性模量基本不變，在90%左右。Assem等通過測試混凝土的脈沖傳播速度發現在硅灰的含量由3%增加到8%時，脈沖傳播速度減少率一直降低，且在210次凍融循環時，脈沖速度減少率約為15%，但當硅灰含量增加到11%時，在150次凍融循環時脈沖傳播速度減少率就達到了70%以上。即硅灰改進混凝土抗凍融性的佳含量應在10%左右。

3．1．5硅灰對混凝土抗堿-集料反應的影響

堿-集料反應(alkali-aggregatereaction，AAR)是指在潮濕環境下，混凝土材料中的水泥、混合料和周圍環境中的堿與集料中的活性成分在混凝土澆筑成型后若干年逐漸反應，反應生成物又吸水膨脹，從而導致混凝土膨脹開裂而失去設計性能的現象。AAR反應包括三種類型:堿-硅酸反應(ASR);堿-碳酸反應(ACR);堿-硅酸鹽反應。Jan等認為硅灰作為一種高活性添加劑，在低的替代水平(8%～10%)下能很好的減少ASR擴張。于洋等利用砂漿棒快速法研究了硅灰對砂漿棒膨脹率的影響。研究發現，各摻量的硅灰均可使試樣的膨脹率減小，且該膨脹率隨硅灰的增加而不斷下降，當硅灰摻量超過15%以后，試樣14d的膨脹率小于0．10%，說明硅灰對AAR起到了很好的抑制效果。主要原因是摻入硅灰后，火山灰反應的發生，使水泥中的Ca(OH)2被大量吸收，形成了鈣硅比低的C-S-H凝膠，而這樣的C-S-H凝膠能呈現很強的吸收堿的能力，從而使水泥砂漿中的堿當量降低，減輕了堿對活性集料的侵蝕，抑制了堿硅酸反應引起的膨脹，從而達到了抑制AAR的效果。Andrew研究發現硅灰的聚集尺寸并不是引起ASR反應的因素，無論是大尺寸還是小尺寸，都降低了混凝土的擴張。Juenger等從硅灰的微觀結構和聚集形態研究了硅灰對ASR的影響，發現只有含有燒結硅灰(聚集尺寸為150μm～4．75mm)的混凝土在14d時擴張長度變化竟然超過0．7%，不加硅灰的擴張長度變化不到0．4%，而其他聚集大小的硅灰混凝土擴張長度變化都小于不含有硅灰的，但彼此之間無明顯差別。

3．2硅灰對混凝土力學性能的影響

強度是新拌混凝土硬化后的重要力學性質，也是混凝土質量控制的主要指標。研究發現，摻入硅灰能影響混凝土的強度(抗壓強度，抗拉強度，彎曲強度)。Murat等認為硅灰的添加提高了混凝土的早期抗壓強度，但是降低了混凝土的長期抗壓強度。Tahir Gonen通過研究硅灰與粉煤灰及硅灰和粉煤灰混合物對混凝土抗壓強的性能對混凝土抗壓強度的影響發現，硅灰顯著地提高了混凝土的抗壓強度，且在28d時，混凝土的強度為72MPa。王洪等研究發現，在水膠比為0．3時，當硅灰的摻量在一定范圍內(約為5%～9%)時，混凝土的抗壓強度呈增長趨勢。若同不摻硅灰的混凝土抗壓強度對比，不管是7d還是28d的抗壓強度，摻入3%的硅灰，混凝土的抗壓強度基本沒有變化;摻量大于9%后，混凝土的抗壓強度呈下降趨勢。摻入硅灰后，混凝土的劈裂抗拉強度總體同樣呈增長趨勢。硅灰摻量為6%時，7d、28d的，混凝土的劈裂抗拉強度比不摻硅灰的混凝土分別提高24%和16%。但當硅灰摻量超過6%后，不管是7d還是28d的劈裂抗拉強度，都開始呈下降趨勢?？梢娫谒z比為0．3時，硅灰摻量6%左右，對提高混凝土的劈裂抗拉強度是非常有利的。Bhanja等專門研究了在水膠比從0．26變化到0．42時，硅灰獨自存在對混凝土強度的影響。研究發現，硅灰對混凝土抗壓性能影響的佳替代比不是一個定值，與水膠比有關，但是在15%～25%范圍之內。對于劈裂抗拉強度來說，硅灰的摻入雖然增加了混凝土的劈裂抗拉強度，但是很高的硅灰替代比并不是影響劈裂抗拉強度的主要因素，并且硅灰替代比不會超過15%。并且所有的水膠比下，5%～10%的硅灰替代比都顯著的提高了混凝土的劈裂抗拉性能。對于彎曲抗拉強度來說，硅灰顯著提高了混凝土的彎曲抗拉強度，甚至高的硅灰替代比效果更明顯，在硅灰替代比為5%、10%、15%、20%和25%下，分別計算出所有水膠比下，28d的彎曲抗拉強度的平均增長率為10．2%、14．5%、27%、31%和26．6%。由此可見硅灰替代率為20%左右時顯著提高混凝土的彎曲抗拉強度。

4復合摻料對混凝土性能的影響

一種摻料的性質是單一的，將兩種或兩種以上的摻料混合在一起形成具有多種性質的復合摻料，也許能的改進混凝土的性能，例如:復摻粉煤灰和硅灰。硅灰屬火山灰質材料，其顆粒極細(＜1μm)，且具有高度分散性，具有填充效應、火山灰效應和孔隙溶液化學效應。將礦物摻合料復摻后會產生各組分之間的物理及化學復合效應，主要表現為火山灰復合效應和微集料復合效應，對混凝土的滲透性、過渡帶結構、抗裂性能等均有良好的改善作用，從而使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕作用顯著改善。因此近年來許多學者探究了復合摻料對混凝土性能的影響。張笑等探究了硅灰和超塑化劑摻量對高性能混凝土強度及流動性的影響，研究發現高性能混凝土的優配比應為硅灰替代率10%，超塑化劑摻量1．1%，此時混凝土28d的抗壓強度為92．7MPa，擴展度170mm。唐明等通過混料設計，研究了同一水膠比下水泥、礦渣、粉煤灰和硅灰混料因子對混凝土7、28d抗壓強度和28d電通量的影響，通過多元回歸分析，綜合考慮，粉煤灰摻量和礦渣摻量應都為50%。周述光等研究發現粉煤灰、硅灰和引起劑復合使用時能夠抑制ASR，當砂漿中只加入10%的粉煤灰，5%的硅灰時，24h后的膨脹率為0．18%，而還加有0．04%引氣劑的砂漿24h后的膨脹率僅為0．08%，即三種復合時效果更明顯。

5結語

由于硅灰具有良好的活性，其添加到混凝土中能很好的改進混凝土的性能。但是影響混凝土性能的因素復雜，因此很難確定一個改進混凝土綜合性能的佳硅灰替代比。所以未來利用多元回歸分析的方法研究硅灰對混凝土綜合性能的影響，提出硅灰改進混凝土綜合性能的佳替代比將成為未來的研究方向。